Введение

Протокол с временным запуском (TTP) — это открытый компьютерный сетевой протокол для систем управления. Он был разработан как полевая шина с временным запуском для транспортных средств и промышленных применений и стандартизирован в 2011 году как SAE AS6003 (протокол связи TTP). Контроллеры TTP накопили более 500 миллионов часов налета в коммерческих авиационных приложениях уровня DAL A, в системах генерации электроэнергии, экологического и авиационного управления. TTP используется в системах FADEC и модульных системах управления аэрокосмического назначения, а также в бортовых компьютерах. Кроме того, устройства TTP накопили более 1 миллиарда часов эксплуатации в железнодорожных сигнальных системах SIL4.

История

TTP был первоначально разработан в Венском технологическом университете в начале 1980-х годов. В 1998 году компания TTTech Computertechnik AG взяла на себя дальнейшую разработку TTP, предлагая программные и аппаратные продукты. Чипы контроллеров связи TTP и интеллектуальная собственность (IP) доступны у таких производителей, как austriamicrosystems, ON Semiconductor и ALTERA.

Определение

TTP – это двухканальная полевая шина со временным управлением, обеспечивающая скорость 25 Мбит/с на канал. Она может работать с использованием одного или обоих каналов, достигая максимальной скорости передачи данных 2x25 Мбит/с. Благодаря репликации данных на обоих каналах поддерживается резервирование связи.

Являясь отказоустойчивым протоколом с временным управлением, TTP обеспечивает автономную и отказоустойчивую передачу сообщений в заданное время с минимальным джиттером, используя стратегию TDMA (Time Division Multiple Access) на реплицированных каналах связи. TTP предлагает отказоустойчивую синхронизацию часов, которая устанавливает глобальную временную базу без использования центрального сервера времени. TTP предоставляет службу управления членством, информирующую каждый корректный узел о согласованности передачи данных. Этот механизм можно рассматривать как распределенную службу подтверждения, оперативно уведомляющую приложение о возникновении ошибки в системе связи. В случае потери согласованности состояния приложение немедленно уведомляется. Кроме того, TTP включает в себя службу предотвращения клик, предназначенную для обнаружения неисправностей, выходящих за рамки допустимой гипотезы об ошибках, которые не могут быть устранены на уровне протокола.

Критические приложения

TTP часто используется в приложениях передачи данных, критически важных для выполнения задач, где требуется детерминированная работа. К таким приложениям относятся системы управления авиационными двигателями и другие аэрокосмические применения. В этих случаях сети TTP часто функционируют как отдельные сети с отдельными аппаратными интерфейсами AS8202NF и отдельными, но согласованными конфигурациями. Протокол TTP обладает уникальной особенностью: все узлы сети одновременно узнают о прекращении связи или передаче недостоверных данных каким-либо другим узлом. Информация о состоянии каждого узла обновляется для всех узлов несколько раз в секунду.

Технические детали

Общение данными в TTP организовано в TDMA-раундах. TDMA-раунд делится на слоты. Каждый узел имеет один слот для передачи и должен отправлять кадры в каждом раунде. Размер кадра, выделенный узлу, может варьироваться от 2 до 240 байт в длину, и каждый кадр обычно содержит несколько сообщений. Кластерный цикл – это повторяющаяся последовательность TDMA-раундов; в разных раундах в кадрах могут передаваться различные сообщения, но в каждом кластерном цикле полный набор сообщений о состоянии повторяется. Данные защищены 24-битным CRC (Cyclic Redundancy Check). Расписание хранится в MEDL (списке описателей сообщений) в коммуникационном контроллере.

СЛОТ

В сети TTP для каждого узла предусмотрен один слот. Узел всегда передает данные (параметры) в течение своего слота, даже если у него нет данных для отправки. Однако узел будет передавать только те параметры, для передачи которых он сконфигурирован в конкретном РАУНДЕ, в котором находится слот. Например, узел может передавать параметры 1, 2, 3 в своем СЛОТЕ в течение РАУНДА x и параметры 4, 5, 6 в своем СЛОТЕ в течение РАУНДА y. Слот для узла определяется при проектировании сети TTP с использованием программных средств TTP Plan и TTP Build, работающих на ПК. Информация, определяющая, какие конкретные данные или параметры должен передавать AS8202NF для данного СЛОТА и РАУНДА, содержится в MEDL.

Круглый

В раунде TTP предусмотрен слот для каждого узла в сети TTP. Количество РАУНДОВ в КЛАСТЕРНОМ ЦИКЛЕ определяется с помощью программных утилит TTP Plan и TTP Build, работающих на ПК. Эта информация также содержится в MEDL. Раунды необходимы, поскольку узел не обязан передавать все свои параметры в течение своего слота. Для распределения полосы пропускания между узлами каждый узел передает отобранные параметры в разных РАУНДАХ.

Цикл кластеров

Цикл кластера определяется наличием определенного количества раундов. Все узлы передают все свои параметры к концу цикла кластера. Цикл кластера начинается с первого бита первого слота первого раунда.

Балансовые узлы, слоты и кластерные циклы

Количество слотов определяется числом узлов в сети TTP. Однако количество раундов задается разработчиком сети с помощью утилит TTP Plan и TTP Build.

Синхронизация часов

Синхронизация часов обеспечивает все узлы единым представлением о времени. Каждый узел измеряет разницу между заранее известным ожидаемым и фактическим временем прибытия корректного сообщения, чтобы определить расхождение между часами отправителя и получателя. Устойчивый к сбоям алгоритм усреднения использует эту информацию для периодического вычисления поправки для локальных часов, чтобы поддерживать их синхронизацию со всеми остальными часами кластера.

Членство и признание

Протокол с временным запуском стремится последовательно передавать данные всем корректным узлам распределенной системы, а в случае сбоя система связи пытается определить неисправный узел. Эти свойства обеспечиваются протоколом управления членством и механизмом подтверждения получения.

Оборудование

Для подключения к сети TTP необходимо использовать устройство AS8202NF. Это устройство выступает в качестве интерфейса между компьютерной платформой и сетью TTP. Перед началом работы устройство AS8202NF должно быть загружено наборами конфигурационных данных TASM (TTP Assembler) и MEDL (Message Descriptor List). AS8202NF может взаимодействовать с одной или двумя сетями TTP. Невозможно спроектировать и реализовать сеть TTP, просто приобретя устройство AS8202NF. Для каждого проекта требуется лицензия и инструменты конфигурации от TTTech или сторонних разработчиков.

Коммерческие применения

TTP была интегрирована в ряд коммерческих приложений.

Решения по железнодорожной сигнализации

Электронная система блокировки LockTrac 6131 ELEKTRA была разработана в результате сотрудничества подразделения Thales Rail Signalling Solutions и компании TTTech. LockTrac 6131 ELEKTRA – это электронная система блокировки, обеспечивающая наивысший уровень безопасности и надежности. Система одобрена в соответствии со стандартами CENELEC с уровнем целостности безопасности 4 (SIL4) и предоставляет базовые функции блокировки, локальное и дистанционное управление, автоматическое ведение поезда, встроенную функциональность блокировки участков и интегрированную систему диагностики. LockTrac 6131 имеет два программных канала с диверсифицированным программным обеспечением для обеспечения высоких требований к безопасности. Данные проверяются в канале безопасности перед внешней передачей. Диагностическое устройство сохраняет всю релевантную информацию для обеспечения эффективного обслуживания в случае неисправности.

FADEC

Система применялась в системах FADEC (Full Authority Digital Engine Control). Модульный аэрокосмический контроль (MAC) на базе FADEC для Aermacchi M346 является масштабируемым, адаптируемым и устойчивым к отказам. Ключевым технологическим решением в этой новой системе FADEC является использование TTP для межмодульной коммуникации. TTP устраняет сложные взаимосвязи между модулями, упрощая как первоначальную разработку, так и последующие изменения и модернизации. Он обеспечивает доступ всех модулей системы ко всем данным в режиме реального времени, что гарантирует плавную адаптацию к неисправностям без сложной логики переключения каналов. Модульный аэрокосмический контроль (MAC) на основе TTP, являющийся частью системы полного цифрового управления двигателем F110 (FADEC) компании General Electric, интегрирован в истребитель Lockheed Martin F-16. TTP, используемый в качестве магистральной шины, обеспечивает высокий уровень безопасности двигателя, эксплуатационной готовности и снижение стоимости жизненного цикла. Важным преимуществом является одновременная доступность всей информации на шине для обоих каналов FADEC.

Системы экологии и электрогенерации

Для Airbus A380 компания TTTech разработала систему внутренней связи для системы управления давлением в салоне, работая совместно с Nord Micro, дочерней компанией Hamilton Sundstrand Corporation. В сотрудничестве с Hamilton Sundstrand Corporation, TTTech разработала платформу обмена данными на основе TTP для электрической и системы управления окружающей средой Boeing 787 Dreamliner. Разработанная на основе TTP платформа связи предотвращает перегрузку шины данных, даже при одновременном возникновении нескольких важных событий. Кроме того, системы на основе TTP легче традиционных благодаря меньшему количеству разъемов и проводов. Более того, вся система обладает большей гибкостью и модульностью по сравнению с традиционными системами связи.

Автономные транспортные средства

Два роботизированных автомобиля Red Team, участвовавших в конкурсе DARPA Grand Challenge 2005 года, были оснащены технологией "drive by wire", при которой бортовые компьютеры управляли рулевым управлением, торможением и другими функциями движения. Три блока TTP TTC 200 контролировали стояночный тормоз, дроссельную заслонку и функции трансмиссии, а один блок TTP By Wire Box управлял рабочим тормозом Hummer H1ghlander. Система "drive by wire" управляла ускорением, торможением и переключением передач Sandstorm.